高精度化學腐蝕工藝在復雜環境下對金屬切割的研究

蘇志偉，黃仁忠，汪成林，張超，劉明洪，彭莘格

（1.中國核動力研究設計院 第一研究所，成都 610213；2.合肥工業大學 食品與生物工程學院，合肥 230009）

0 引言

某設備管道不銹鋼套管（以下稱為異物）發生脫落后卡塞在設備葉輪靜葉末端，經過工業內窺鏡觀察及分析，該異物為卡塞浮動狀態，須在指定位置切斷后方可取出?；谝陨锨闆r，需對滿足小空間切割、遠距離操作、適應多個大角度轉彎、安全性高、二次異物引入少等技術要求的切割系統進行研究。

根據工程現場分析，現有切割系統主要存在以下問題：1）引入新異物較多，不宜后期汽輪機內部清潔（如水刀切割等）；2）切割頭或刀具較大，無法進入靜葉腔（如激光切割等）；3）現有刀具大小及材料無法切割不銹鋼（如砂輪切割等）；4）常規切割時需要一定壓緊力（如鉆切割）；5）常規切割時需要一定進給距離（如銑、刨切割等）；6）傳統切割系統需要異物與刀具之間相對位置固定[1-6]。

本次切割環境為異物及刀具均具有一定的活動性，無法保證切割的過程中壓緊力穩定性、進給距離穩定性、切割位置穩定性。因此需要研究一套能滿足在遠距離操作、多個大角度轉彎、異物不固定、新異物引入受限等技術要求下的不銹鋼切割工具。

1 工藝設計及使用說明

1.1 整體工藝設計

主體思路為：采購成熟的定量進給推進裝置→非標設計集成箱體→非標設計加工穩壓器→采購技術成熟的塑料電動閥作為控制閥門→非標制作連接法蘭及管路→非標制作控制面板作為集成控制板→采購技術成熟的集成配電柜作為電源控制箱。整體工藝圖如圖1所示。

圖1 整體工藝示意圖

1.2 系統使用說明

1.2.1 前期準備階段

根據異物形態及切割位置設計出液口形狀及大小，定量輸送裝置、壓力安全系統、負壓系統、緊急制動系統、故障報警系統、排氣系統、快速中和系統均固定在平穩平臺，便于人員觀察及操作。

1.2.2 正常工作階段

借助專用輸送工具將出液口放置到異物附近，通過調整出液口位置，將出液口搭放在異物上方且出液口開口盡量靠近異物；校準定量輸送裝置及壓力安全裝置；打開截止閥，酸液通過酸液輸送管裝置進行流動，待酸液流到排氣閥時，打開排氣裝置，排出管內氣體，待排氣閥有酸液溢出時關閉排氣裝置，酸液繼續流入至出液口，開始腐蝕工作。

工作時，出液口位置必須高于定量輸送裝置及壓力安全裝置，腐蝕過程中調整定量輸送裝置進給速度，控制酸液接觸異物且不形成液滴滴下；腐蝕結束后，打開負壓裝置，將管路、壓力安全系統、定量輸送裝置等所有的酸液倒吸入負壓裝置，啟動快速中和系統，將堿性化學試劑注入負壓裝置中；取出專用輸送工具，拆卸耐酸輸送管，進行后期清洗工作。

1.2.3 系統安全裝置說明

當定量輸送裝置出現一般失控流速時，壓力安全裝置自動啟動卸壓；當失速較大時，負壓裝置自動啟動，將所有酸液倒吸入負壓系統內；負壓裝置和壓力安全裝置都可保證出液口處酸液逆流，防止因定量輸送裝置失速而大量酸液進入靜葉腔；當發生管路泄漏或其他瞬間失壓狀況時，負壓裝置自動啟動，將所有酸液倒吸入負壓裝置中，盡量減少酸液外漏。

當發生壓力安全裝置或負壓裝置失效時，手動啟動緊急制動裝置，緊急堵死耐酸輸送管后，啟動快速中和系統，分別向定量輸送裝置、耐酸軟管、壓力安全裝置注入堿液，降低強酸酸性，保證內部靜葉腔設備的安全；當軟管內部液體壓力失?；蛟O備發生移動后進行報警并停止定量輸送裝置。

2 基本原理實驗論證

2.1 實驗設備及材料

實驗原理論證采用的設備及試劑主要包括王水、異物試樣、靜葉片基體材料、通用輸液器、20 mL注射器、5 mL注射器、聚四氟乙烯非標制作的連通管及出液口、定量輸送器、模擬液等。圖2為標準王水溶液，圖3為1:1制作的異物模擬試樣，該試樣基材與異物基材一致，形狀尺寸與異物相似，圖4為靜葉腔基材材料試樣，圖5為輸送管道試樣之一（實驗中對輸送管道所有材質均進行了腐蝕實驗），圖6為定量推進裝置，該裝置可實現精準微量液體輸送。

圖2 化學試劑溶液

圖3 異物試樣

圖4 靜葉腔材料

圖5 輸送管道試樣

圖6 推進裝置模擬機

2.2 實驗內容及結論

2.2.1 異物的可腐蝕性

將異物完全放置于配置好的化學試劑溶液（王水）中，觀察化學反應狀況。實驗結果為：異物試樣放入王水后，異物表面馬上出現了較多氣泡（氣泡僅附著在異物表面，未聚集外溢），王水溶液開始變深。約5 min后，異物表面氣泡開始聚集外溢。0.5 h后大量氣泡聚集為大氣泡外溢，持續約10 min，王水溶液完全變黑。沸騰結束后回歸為較多氣泡附著在異物表面狀態。約10 h后異物厚度基本腐蝕完全，成銹渣斷裂狀。圖7為異物放入王水后產生的化學反應，產生大量氣泡，圖8為反應一段時間后新舊王水溶液的對比，圖9為最終異物被腐蝕后的狀態，腐蝕效果較好，可以實現異物切斷的目標。

圖7 氣泡聚集外溢

圖8 溶液顏色對比

圖9 最終腐蝕結果

2.2.2 輸送酸液管線的耐腐蝕性

為了驗證同等實驗條件下王水對輸送管路及器皿的腐蝕性，將所有與王水接觸的部位進行取樣腐蝕，取出的試樣成分主要包括硬質塑料、橡膠、聚四氟乙烯等。在對異物試樣進行腐蝕實驗時，同時將輸送管及器皿試樣進行同一個燒杯內腐蝕，保證實驗條件的一致性。實驗過程中每隔1 h對試樣進行拉拽強度、彈性、塑性等性能檢測。10 h后對試樣清洗檢查，檢查結果表明：以上所有試件未發生明顯的塑性、彈性、強度、硬度等性能變化，試樣外觀顏色由透明變為棕黃色。圖10為液體輸送管道所有與王水接觸的材質腐蝕實驗，圖11為管道被腐蝕試樣的基本性能檢查，未發生明顯的腐蝕效果，圖12為所有被腐蝕試樣清洗后的最終狀態，狀態完好，未發生腐蝕效應。

圖10 所有試樣放入

圖11 檢測試樣基本性能

圖12 最終試樣狀態

2.2.3 靜葉片基體材料的腐蝕性能

對兩個實驗試件進行點滴腐蝕實驗，點滴10 min后兩試件發生反應，異物試件有輕微腐蝕，靜葉片基體材料出現類似碳渣物質。圖13為異物與基材的原始狀態，圖14為分別對異物和基材做滴定腐蝕實驗，圖15為一定時間后的腐蝕狀態。

圖13 反應前兩個試樣

圖14 分別滴定酸液

圖15 10 min 反應狀態

2.2.4 定量定速注射可實施性

為了避免對其他設備造成損壞，采用微速定量推送方案，定量、定點地輸送酸液，避免酸液流動對其他設備造成腐蝕。采用最小量程0.1 mL/h的微量推進器。通過配置模擬液對設備的推進精度及穩定性進行實驗驗證。圖16為整體搭建的簡易定量酸液推進系統，原理上驗證了方案的可實施性。圖17、圖18為一定時間后的液體推進效果。

圖16 整體搭建驗證系統

圖17 推進5 min 液滴

圖18 推進19 min 液滴滴落

3 結論

本文提出了一套高精度化學腐蝕工藝在復雜環境下對金屬切割的工藝，通過實驗對系統的基本原理及實驗的可實施性進行了研究，研究結果表明：王水可對異物進行腐蝕，腐蝕效率較高。王水在一定時間內對輸送酸液的管線及相關器皿發生的腐蝕作用不明顯。王水與異物及靜葉片基體材料均能發生化學反應。異物厚度損耗率為23%，靜葉片基體材料厚度損耗率為6%，異物損耗速率較高。定量輸送系統穩定性較高，推進量誤差較小，基本滿足使用要求。利用酸液對金屬進行定點、定量、可控的腐蝕操作具有一定的可實施性。